C++ 编程基础（5）类与对象 | 5.5、多态

前言：

在C++编程语言中，多态性（Polymorphism）是一项至关重要的特性，它赋予了程序高度的灵活性和可扩展性。多态性允许我们通过一个统一的接口来访问不同类型的对象，从而实现“一个接口，多种实现”的设计理念。

一、多态

1、概念

多态性，顾名思义，指的是“多种形态”或“多种表现”。在C++中，多态性允许我们根据对象的实际类型来调用相应的函数，而不仅仅是根据对象的声明类型。这种机制使得我们可以在不修改现有代码的情况下，轻松扩展程序的功能。

2、多态实现方式

C++主要通过继承和虚函数来实现多态性。

• 继承： 继承是面向对象编程中的核心概念之一，它允许我们创建新的类（派生类）来继承现有类（基类）的属性和方法。通过继承，我们可以构建出具有层次结构的类体系，为多态性的实现提供了基础。
• 虚函数： 虚函数是C++中实现多态性的关键。在基类中，可以将某些成员函数声明为虚函数，这意味着这些函数可以在派生类中被重写（Override）。当通过基类指针或引用来调用虚函数时，C++会根据对象的实际类型来调用相应的派生类中的实现，这就是所谓的动态绑定（Dynamic Binding）。

3、动态绑定与静态绑定

虚函数与非虚函数在函数调用时的主要区别在于联编方式的不同。联编是指将源代码中的函数调用解释为执行特定的函数代码块。

• 静态联编： 对于非虚函数，编译器在编译过程中进行联编，即在编译阶段就确定了要调用的函数具体是哪个类中的实现。静态联编效率更高，因此被设置为C++的默认选择。
• 动态联编： 对于虚函数，编译器生成能够在程序运行时选择正确虚方法的代码。当通过基类指针或引用调用虚函数时，编译器会根据对象的实际类型初始化虚函数表指针，使之指向所属类的虚函数表，从而找到正确的函数进行调用。

4、虚函数

虚函数是实现多态的重要机制，下面重点介绍下虚函数的实现原理

4.1、声明与定义

要在C++中声明一个虚函数，只需在函数声明前加上virtual关键字即可。例如：

class Base {
public:virtual void func() {cout << "Function of Base class" << endl;}
};class Derived : public Base {
public:void func() override { // 使用override关键字确保正确覆盖cout << "Function of Derived class" << endl;}
};

4.2、虚函数的工作原理

虚函数的实现依赖于C++编译器和运行时系统的支持。具体来说，虚函数的实现涉及以下几个关键步骤：

• 虚函数表（VTable）： 每个包含虚函数的类都有一个虚函数表，它是一个函数指针的数组，指向该类及其派生类中所有虚函数的实现。虚函数表在类的定义时就已经被创建，并在对象创建时与对象关联。
• 虚指针（VPtr）： 在包含虚函数的类的对象中，通常会有一个指向虚函数表的指针，称为虚指针。虚指针在对象构造时被设置，指向相应类的虚函数表。
• 动态绑定： 当通过基类的指针或引用调用虚函数时，C++运行时系统会首先检查对象的虚指针，然后根据虚指针找到对应的虚函数表。接着，根据调用的虚函数在虚函数表中的位置，找到实际的函数指针并调用之。这个过程称为动态绑定，因为它是在运行时根据对象的实际类型来确定调用哪个函数版本的。

4.3、虚函数的优点与注意事项

虚函数的主要优点是提高了代码的灵活性和可扩展性，使得我们能够在不修改基类的情况下改变派生类的行为。然而，在使用虚函数时也需要注意以下几点：

• 性能开销： 由于虚函数的调用涉及到虚函数表和虚指针的间接访问，因此相对于非虚函数来说有一定的性能开销。在性能敏感的应用场景中，需要谨慎使用虚函数。
• 内存消耗： 每个包含虚函数的类都会增加一个虚指针的内存开销，用于指向虚函数表。虽然这个开销通常很小，但在大量创建小对象时也可能成为问题。
• 设计复杂度： 虚函数的使用增加了设计的复杂性，因为需要在基类和派生类之间维护一致的接口和行为。这要求开发者具备较高的设计能力和经验。

5、不能声明为虚函数的函数

在C++中，不能声明为虚函数的有非成员函数、构造函数、静态成员函数、内联成员函数以及友元函数。以下是这些函数的具体介绍：

• 非成员函数： 非成员函数不属于类的成员，因此无法被继承或重写，也就无法实现多态性。
• 构造函数： 构造函数在对象创建时调用，而虚函数机制依赖于对象的类型信息（虚表），这在构造对象时尚未完全初始化，因此构造函数不能被声明为虚函数。
• 静态成员函数： 静态成员函数与特定对象实例无关，而是与类本身相关，因此不支持多态性，不能被声明为虚函数。
• 内联成员函数： 虽然技术上可以将虚函数声明为内联函数，但这并不常见，因为虚函数的动态绑定特性与内联函数的编译期展开特性存在冲突。
• 友元函数： 友元函数不是类的成员函数，而是独立于类的外部函数，因此不能被声明为虚函数。

6、纯虚函数

纯虚函数是在基类中声明的函数，但没有提供实现。它的一般形式如下：

virtual ReturnType FunctionName(Parameters) = 0;

这里的 = 0 表示这是一个纯虚函数。由于纯虚函数没有实现，因此包含纯虚函数的类不能实例化。

示例：

class Shape {
public:// 纯虚函数，用于计算面积virtual double area() const = 0;
};

7、抽象类

抽象类是一种不能被实例化的类，它通常用作其他类的基类。抽象类的主要特点是包含一个或多个纯虚函数。这些纯虚函数在抽象类中没有实现，必须在派生类中提供具体实现。具备下面的特征，如下：

• 抽象性： 抽象类不能被实例化，只能通过其派生类来创建对象。
• 纯虚函数： 抽象类至少包含一个纯虚函数，纯虚函数没有实现，必须在派生类中重写。
• 派生类实现： 派生类必须实现所有继承自抽象类的纯虚函数，否则派生类也将成为抽象类。

示例代码：

#include <iostream>
using namespace std;// 抽象基类
class Shape {
public:// 纯虚函数，计算面积virtual double area() const = 0; // 纯虚函数
};// 派生类：矩形
class Rectangle : public Shape {
private:double width;double height;
public:Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}// 实现纯虚函数double area() const override {return width * height;}
};// 派生类：圆形
class Circle : public Shape {
private:double radius;
public:Circle(double r) : radius(r) {}// 实现纯虚函数double area() const override {return 3.14159 * radius * radius;}
};int main() {Shape* shapes[2];shapes[0] = new Rectangle(5, 10);shapes[1] = new Circle(7);for (int i = 0; i < 2; i++) {cout << "Area: " << shapes[i]->area() << endl;delete shapes[i];}return 0;
}

8、总结

C++中的多态性是一项强大的特性，它允许通过统一的接口来访问不同类型的对象，从而实现代码的高度复用和灵活扩展。然而，多态性的实现也带来了一定的性能开销和设计复杂度。因此，在使用多态性时，需要权衡其带来的好处和挑战，并根据具体的应用场景和需求来做出合理的选择。